第一章 电动汽车概述北京理工大学林 程车辆电动技术电动车技术概况
世界人口和汽车的增长趋势如图所示,今后 50年,世界人口将由 60亿增加到 100亿,
汽车产量将由 7千万增加到 2亿 5千万
因此我们必须开发清洁、高效、智能的交通车辆,才能使 21世纪的交通可持续发展
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人口数量机动车人口年人口机动车
20502000
电动车技术概况
从环保的角度来看,电动汽车是零排放的市区交通工具,即使计及发电厂增加的排气,总量上看,
它也将使空气污染大大减少。
从能源的角度来看,电动汽车将使能源的利用多元化(例如可使用各种再生能源)和高效化,达到能源的可靠、均衡和无污染地利用的目的
在改善交通安全和道路使用方面,电动汽车更容易实现智能化
电动汽车的发展将使集中考虑能源、环保和交通成为可能,而且,它对于促进高科技的发展、新兴工业的兴起以及经济的发展将产生深远的影响。
电动汽车的发展历史
1834年,Thomas Davenport制造了一辆电动三轮车,它由一组不可充电的干电池驱动,但只能行驶一小段距离。四年后 Robert Davidson也造了一辆用干电池驱动的电动机车。
1881年在法国巴黎街上出现了世界上第一辆以可充电池为动力的电动汽车,它是法国工程师 Gustave Trouve 装配的以铅酸电池为动力的三轮车。
在美国,每年销售的 4200辆汽车中有 38%是电动汽车,
22%是燃油汽车,40%是蒸汽机汽车。在当时,电动汽车是金融巨头的代步工具及财富的象征,一辆电动汽车的价格相当于今天的一辆 Rolls Royce
电动汽车的发展历史
由马车改装而成的电动汽车,行驶在街道上电动汽车的发展历史
英国的伦敦电动出租汽车公司 1897年生产了
15辆电动出租车电动汽车的发展历史
1900年之前,法国的
BGS电动汽车一直保持着世界电动汽车行驶里程的最高记录,其续驶里程约达 290km。
第一辆时速超过
100km/h的汽车是电动汽车,它是一辆子弹头的电动赛车,在 1899
年 5月创下速度为
110km/h的记录电动汽车的发展历史
进入无马车时代以后,电动汽车就进入了一个商业化的发展阶段,此时的电动汽车有辐条车轮、充气轮胎、舒适的弹簧椅和豪华的车内装饰。到 1912年,
美国有 34000辆电动汽车注册
1899~1916年期间,Baker
电气公司是美国最重要的电动汽车制造厂之一。
1901~1920年,英国伦敦电动汽车公司生产了后轮轮毂电机式、后轮驱动、斜轮转向和充气轮胎的电动汽车。
1907~1938年期间,底特律电气公司生产的电动汽车不仅具有无噪声、清洁可靠的优点,而且最高时速达到 40km/h,续驶里程为
129km。
电动汽车的发展历史
电动机是电动汽车驱动的关键部件,同时它又帮助燃油汽车与电动汽车竞争对抗。 1911年,Kettering
发明了汽车发动机起动机,
使得燃油汽车对于依赖于方便驾驶的电动汽车司机来说更具吸引力,从此打破了电动汽车在市场的主导地位
而福特的想法彻底结束了电动汽车的生命,他大批量生产福特 T型车,使其价格从 1909年的 850美元降到了 1925年的 260美元,因此加速了电动汽车的消失。
而燃油汽车的续驶里程是电动汽车的 2~ 3倍,且使用成本低,因而使得电动汽车的制造商想占领一定的市场份额已不可能。到
19世纪 30年代,电动汽车几乎消失了。
电动汽车近三十年的发展
20世纪 70年代的能源危机和石油短缺使电动汽车重新获得生机
但是石油价格在 20世纪 70年代末开始下跌,
在电动汽车成为商业化产品发展起来之前,
能源危机和石油短缺变的不再严重。因而电动汽车的商业化失去了动力,电动汽车的发展显著变慢,开始走入低谷。
电动汽车近三十年的发展
20世纪 80年代,由于人们日益关注空气质量和温室效应所产生的影响,电动汽车的发展再次获得生机。 20世纪 90年代初,一些国家和城市开始实行更严格的排放法规。
1990年,美国加州大气资源管理局( CARB)颁布了一项法规,规定 1998年在加州出售的汽车中 2%
必须是零排放车辆( ZEVs),到 2003年零排放车辆应达到 10%。受加州法规的影响,电动汽车迅速发展起来,虽然加州大气资源管理局 1998年的目标没有实现 。
电动汽车近三十年的发展
汽车制造商在不断推动电动汽车技术的发展,并开始将电动汽车商业化。在世界范围内,尤其在美国、日本和欧洲,许多汽车生产商开始生产电动汽车或者涉及电动汽车领域
一些电力公司和电池生产商在电动汽车的示范中也起着积极的作用,其目的都是为了促进以充电电池为动力的电动汽车的商业化,最终获得商业利益
能源和环保机构也积极参与促进电动汽车技术的发展及其商业化的活动中。另外,一些研究所和大学不断研究电动汽车新技术,以使电动汽车能与燃油汽车相竞争。
电动汽车的发展趋势与技术水平
通用公司开发的具有最先进的动力系统的 1997双座 EV1。该车为前轮驱动,采用一台 102kW的三相感应电机,双级减速的单速驱动桥。 EV1装备了由 26个阀控铅酸电池组成的电池组,电池组可用 6.6kW的非车载感应充电器或 1.2kW的车载感应充电器进行充电。
该车的电动机在转速为 0~ 7000
时输出恒转矩 1640Nm,在转速为 7000~ 14000时输出恒功率
102kW,使得 EV1可以获得
128km/h(电子限速)的最高车速和 0~ 96km/h加速小于 9秒的性能电动汽车的发展趋势与技术水平
1997 尼桑四座 ALTRA EV,它是尼桑的旗舰级产品。该车采用重量仅为 39kg的 62kW永磁同步电机,对于目前的电动汽车电机而言,其功率质量比是最高的,为 1.6kW/kg。
采用高效率的控制器,使动力系统的总效率高达 89%以上。其动力电池为钴基锂离子电池,能量密度为90Wh/kg,功率密度为 300W/kg,
循环使用寿命达 1200次。该电池组可以通过车载感应充电器在 5小时内充电完毕。
ALTRA的最高车速为 120km/h,市区循环工况续驶里程为 192公里。
1999年,ALTRA换用了能量密度和功率密度更高的锰基锂离子电池,分别为 91Wh/kg和 350W/kg。
电动汽车的发展趋势与技术水平
福特公司的 P2000车代表了福特公司在燃料电池电动汽车发展中所作的贡献。福特公司 2000
年研制出的这款四门轿车,它采用 Th!nk质子交换膜( PEM)
燃料电池系统驱动。储存在2
5MPa下的压缩氢气与空气中的氧气燃烧产生能量输出。
该车采用三相感应电动机,其最大输出功率为 67kW,最大输出转矩为 190Nm,最高效率为
91%。 P2000的整车重量为
1514kg,最高车速可达 128km/h,
续驶里程为 160km。
电动汽车的发展趋势与技术水平
戴姆勒-克莱斯勒公司,1997年推出它的第一辆以甲醇为燃料的燃料电池电动汽车 NECAR 3。它采用
PEM燃料电池,最大输出功率为
50kW。该燃料电池系统通过一个小型重整装置,从甲醇中直接提取氢气,从而克服了必须在车上安装压缩氢气罐的难题。该车的重整装置、
甲醇罐和其控制系统都安装在行李箱内,燃料电池安装在底盘上。基于甲醇燃料电池动力系统,
NECAR 3用 38升液体甲醇,可以行驶 400km。
2000年推出的 NECAR 5是由 NECAR
3技术改进发展而来的,它将驱动系统的体积减少了一半,整车重量减少了 300kg。它还将系统功率提高到 75kW,使最高车速超过 150km/h。
电动汽车的发展趋势与技术水平
丰田公司开发的 Prius,它是世界上第一种大批量生产的混合动力汽车。它采用四缸发动机( 4500 rpm,52
kW)和永磁同步电机( 1040~ 5600
rpm,33kW)共同驱动,是发动机主动型混合动力汽车,需要功率分配装置,即行星齿轮装置,将一部分能量传到车轮,另一部分传给发电机。发电机输出的能量可用于增加电动机的输出功率,或者用于给
38个镍氢动力电池充电。
Prius的最高车速为 160km/h,0~
96km/h的加速时间为 12.7s,市区和公路的复合工况的燃油经济性为
20km/ l。其燃油经济性和排放性能比传统的燃油汽车提高了许多。
电动汽车的发展趋势与技术水平
日本本田公司开发的 Insight,此款车于 2000年 10月上市,是发动机主动型混合动力系统,由一个三缸发动机( 50 kW,5700
rpm) 和一个永磁同步电机( 10
kW,3000 rpm) 共同驱动。电机由 144伏的镍氢电池驱动,电池组可利用正常行驶的富裕功率和下坡时的再生制动能量充电。 Insight是燃油效率最高的混合动力汽车,燃油经济性为
26~ 30km/ l,而且它能够满足加州超低排放标准。
电动汽车的发展趋势与技术水平
为了同时解决空气污染问题、
能源消耗的浪费问题和交通安全问题,日本国家环境保护局( NIES)于 1996年开发出高性能的轻型电动汽车 Luciole。
后轮由两个永磁同步轮毂电机驱动,其总输出功率为 72kW,
转矩为 154Nm。动力电池组为
224V VRLA,电池组安装在特别设计的底盘的方框里,正常充满电需要 5小时,快速充电只需 15分钟,甚至可以利用太阳能充电。 Luciole最高车速可达
130km/h,以日本 10.15工况循环行驶,续驶里程为 130km,0~
40km/h的加速时间 3.9秒。
电动汽车的发展趋势与技术水平
香港大学( HKU) 1993年研制的 U2001电动汽车。它是四座电动汽车,采用功率为 45kw的永磁混合电机和 264V的镍镉电池组。该车的电机是特殊设计,
它可以在一个很广的转速范围内高效率工作。
该车综合了很多先进的电动汽车技术,如应用热电技术制作的变温座椅减少了空调的能量消耗;采用声频导航系统提高了安全性,便于用户驾驶;采用智能能量管理系统使能量的转化和传递达到最优。 U2001最高车速为 110km/h,0~ 48km/h
的加速时间 6.3秒,以 88km/h运行时,续驶里程为 176km。
电动汽车近三十年的发展
印度在电动汽车的商业化过程中也起到了积极的作用。 Reva
EV为双车门、溜背式后行李仓门电动汽车,它是印度 2001年所推出、首次大批量生产的电动汽车。该车采用他励直流电机( 70 Nm,最大功率 13 kW )
和一个 48V的管状铅酸蓄电池组驱动,利用车载充电器( 220 V,
2.2 kW)可以在 3小时内充电
80%,在 6小时内充电 100%。
Reva车重 650kg,最高车速
65km/h,续驶里程为 80km。
该车最具诱惑力的是它令人难以置信的低价格和运行成本,其售价为 5000美元,每公里运行费用不足 1美分。
电动汽车的发展趋势
2000 2010 2020
汽油,柴油,压缩天然气发动机电池和电力驱动先进发动机超级电容惯性飞轮燃料电池电能 乙醇氢气石油,天然气,煤,核能可再生能源燃油车纯电动车混和电动车可应用技术燃料初始能源低空气阻力系数,低滚动阻力轮胎和轻量车身先进电力驱动技术发展电动汽车目前存在的主要问题
目前电动汽车存在的主要问题是初始成本高和行驶里程不理想
蓄电池的比能量和能量密度比燃油低得多,对于于电动汽车的燃料电池的开发目前呈现出加速发展的趋势
商业化的混合电动汽车也在迅速发展
为了降低电动汽车的成本,人们现在正努力改善电动汽车的各个子系统,比如电机、功率转换器、
电子控制器、能量管理系统、充电器、电池以及其它辅助设施,同时对电动汽车整车系统进行综合和优化电动汽车的关键技术
车身设计,在设计电动汽车时,影响整车整体性能(如续驶里程、爬坡能力、加速能力以及最高车速)的参数需要进一步改进,比如减轻整车的重量、降低风阻系数和减小滚动阻力等。
电力驱动,现代电机的高转矩、低转速和恒功率、高转速的工作范围可以通过电子控制来获得,使得电动汽车的驱动系统设计更加灵活多样,可采用单电机或多电机驱动,
可选用或不用变速器,可选用或不用差速器,可选用轴式电机或轮边电机等。
早期的电动汽车都采用直流电机驱动系统,但直流电机的换向器和电刷需定期维护。目前,随着技术的发展,许多先进的电机驱动技术显示出优于直流电机的性能,它们在高效率、高功率密度、有效的再生能量回馈、坚固性、可靠性和免维护性等方面具有明显的优势。
电动汽车的关键技术
能源系统,任何一种蓄电池都不可能同时满足对比能量、
比功率和价格的要求。在不久的将来,锂基电池如锂离子电池和锂聚合物电池在现代电动汽车中的应用将会有很好的前景;超级电容器和超高速飞轮由于其高的比功率将也有希望用于电动汽车; 燃料电池 能从根本上解决电动汽车续驶里程短的问题,被公认为是目前电动汽车最重要的能源之一
可采用多能源系统即混合动力系统提供动力。对于采用两个能源的混合动力而言,可以选用一个能源具有高的比能量,而另一个具有高的比功率。有蓄电池和蓄电池相结合的混合动力,也有采用蓄电池和超级电容器,蓄电池和超高速飞轮以及燃料电池和蓄电池相结合的混合动力,内燃机和蓄电池结合是混合动力的一种特例,其中燃油的高比能量能保证汽车足够长的行驶里程,而蓄电池的高比功率有利于提高汽车的加速性能并减少废气排放。
电动汽车的关键技术
能源管理,智能管理系统如同电动汽车的大脑,
同时具有功能多、灵活性好、适应性强的特点,
它能智能地利用有限的车载能量。
系统优化,电动汽车系统是一个涉及多学科技术的复杂系统,电动汽车的性能受多学科相关因素的影响,通过系统优化来改进电动汽车的性能和降低车辆的成本,计算机仿真是一项很重要的技术,它有利于制造商减少开发新产品的时间、降低成本,并能迅速进行概念评价电动汽车的概念
电动汽车是以电驱动为基础的机动车辆,电驱动由电动机、
功率转换器以及电源组成,它有自己独特的特点;
对现代社会而言,电动汽车不仅是一辆车,而且是实现清洁、高效道路运输的一个全新的系统;
电动汽车系统是一个便于和现代交通网络结合的智能系统;
电动汽车的设计是工程和艺术的结合;
必须重新定义电动汽车的工作条件和工况循环;
必须对用户对于电动汽车的期望进行调研,这样就能对用户进行适当的有关电动汽车知识的教育。